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La methionyl-ARNt synthétase (MetRS) de Saccharomyces cerevisiae aminoacyle les ARNt méthionine initiateur et élongateur (ARNtiMet et ARNteMet), mais possède également des fonctions atypiques. Nous avons montré que la MetRS rejoint le noyau durant la transition diauxique afin de réguler la transcription des gènes nucléaires des complexes III et V de la chaîne respiratoire mitochondriale. Pour ce faire, la MetRS possède au moins deux signaux de localisation nucléaire (NLS) dans sa séquence, l’un se situant dans les 55 premiers acides aminés (aa) et le second, au delà de la partie N-terminale lui permettant de recruter les sous-unités Rpb4 et Rpb7 de l’ARN pol II. Nous avons montré qu’en fermentation, la MetRS est clivée entre le 114ème et le 132ème aa et que cette forme clivée est essentielle à la viabilité des cellules, puisqu’un variant non clivé (MetRSK11A) ne permet pas la croissance. Nous avons surproduit et purifié un mutant de la MetRS clivée (MetRSΔ142) et montré que ce variant est plus efficace pour l’aminoacylation de l’ARNtiMet que la forme entière de MetRS. Ainsi, notre étude suggère que chez S. cerevisiae, la forme longue de MetRS cytoplasmique permet l’aminoacylation de l’ARNteMet, la forme longue de MetRS nucléaire régule la transcription, et la forme clivée de MetRS nucléaire et cytoplasmique permet l’aminoacylation de l’ARNtiMet / Methionyl-tRNA synthetase (MetRS) is the enzyme in charge of aminocylation of tRNA methionine initiator and elongator (tRNAiMet et tRNAeMet), but also displays atypical functions in Saccharomyces cerevisiae. In the present work, we showed that MetRS is imported to the nucleus during the diauxic shift in order to regulate transcription of genes coding for the complexes III and V subunits of the mitochondrial respiratory chain. To do so, MetRS harbors at least two nuclear localization signals (NLS), located within the 55 first aminoacids (NLS1) and beyond the N-terminal part (NLS2). The N- terminal part is responsible for the recruitment of RNA pol II subunits Rpb4 and Rpb7. We also showed that MetRS is cleaved through the 114th and the 132nd aminoacid during fermentation and that the proteolysed form is essential for the viability of the cell, since a mutant of MetRS which is not cleaved (MetRSK11A) did not allows the growth. We showed that an overproduced and purified a mutant representative of the cleaved form (MetRSΔ142) is more efficient for tRNAiMet aminoacylation than the full length MetRS. Thus, our study suggests that in S. cerevisiae, the cytoplasmic full length MetRS aminoacylates tRNAeMet, the nuclear full length MetRS regulates genes transcription, and the cytoplasmic and nuclear cleaved MetRS aminoacylates the tRNAiMet.

Les complexes multisynthétasiques (MSC) sont des complexes multi-protéiques identifiés dans un grand nombre d’organismes pro- et eucaryotes. Ils impliquent des protéines d’assemblages et des aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs), responsables de l’aminoacylation de leurs ARNts homologues au cours de la traduction. La taille et la composition des MSC varient selon les organismes, et le rôle de ces complexes n’est pas encore totalement compris. Il semblerait néanmoins que chez les eucaryotes, l’accrétion en complexe soit une stratégie mise en oeuvre par les cellules pour empêcher les aaRSs d’assurer des fonctions additionnelles. Chez S.cerevisiae,nous montrons que la dynamique du complexe AME, composé de la méthionyl- et de la glutamyl-ARNt synthétase (MRS et ERS) ainsi que de la protéine d’ancrage Arc1p, est dépendante du métabolisme de la levure. En respiration la MRS joue le rôle de facteur de transcription et régule l’expression des gènes nucléaires du complexe III et V de la chaîne respiratoire, tandis que l’ERS active la traduction mitochondriale. Cette étude montre que la relocalisation synchrone est primordiale pour l’adaptation des cellules au métabolisme respiratoire. / Multisynthetase complexes (MSC) are complexes made of several proteins and were identified in a wide variety of organisms from pro- to eukaryotes. They are usually made of assembly factors and aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs), which are responsible for the aminoacylation of their corresponding tRNAs during translation. Depending on the organisms, size and composition of these complexes differ greatly and their role is not fully understood yet. Although it seems that in eukaryotes, accretions of aaRSs into MSC prevent aaRSs to perform their additional functions. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, we show that the dynamic of the AME complex, made of the méthionyl- and glutamyl-tRNA synthetases (MRS and ERS) and the assembly protein Arc1p is linkedto yeast metabolism. In respiration, MRS is imported in the nucleus to act as a transcription factor and regulates the expression of nuclear genes belonging to complex III and V of the respiratory chain, while ERS is imported in mitochondria to activate translation. This study shows that synchronous relocation of both aaRSs is crucial for yeast cells to adapt to respiratory metabolism.

Les ARNt sont des molécules adaptatrices reliant l'information génétique de l’ARN messagers à la séquence d'acides aminés primaire des protéines. Les ARNt ont une structure typique, appelée "feuille de trèfle". Certains ARNt mitochondriaux montrent une forte dérivation de cette structure. Un cas extrême peut être observé dans les mitochondries du nématode R. culicivorax. Cette étude vise la caractérisation fonctionnelle de ces ARNt «bizarres» et de définir leurs propriétés structurales et leur fonctionnalité avec des protéines partenaires telles que les CCAses et les aminoacyl-ARNt synthetases. Ce travail révèle que les ARNt sans bras forment une structure secondaire en forme d'épingle à cheveux et que leurs structures 3D présentent une grande flexibilité intrinsèque. Les tests initiaux n’ont pas démontré l'activité d'aminoacylation. Cependant, les ARNt sans bras représentent des molécules fonctionnelles pour le CCAse, indiquant des adaptations de l’enzyme aux ARNt sans bras. / TRNAs are adapter molecules linking the genetic information of messenger RNAs with the primary amino acid sequence of proteins. tRNAs have a typical cloverleaf-like secondary structure. Some mitochondrial tRNAs show a high derivation from this canonical tRNA structure. An extreme case of structural truncations can be observed in mitochondria of the nematode R. culicivorax. This study aims the functional characterization of such “bizarre” tRNAs in defining their structural properties and their functionality with interacting partner proteins such as CCA-adding enzymes and aminoacyl-tRNA synthetases. This work reveals that armless tRNAs form a hairpin-shaped secondary structure. 3D structures exhibit a high intrinsic flexibility. Initial tests could not demonstrate aminoacylation activity. However, armless tRNAs represent functional molecules for CCA-incorporation, indicating adaptations of CCA-adding enzymes to armless tRNAs.

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Proteins—polymers of amino acids—are a major class of biomolecules whose myriad functions facilitate many crucial biological processes. Accordingly, human control over these biological processes depends upon the ability to study, produce, and modify proteins. One innovative tool for accomplishing these aims is cell-free protein synthesis (CFPS). This technique, rather than using living cells to make protein, simply extracts the cells' natural protein-making machinery and then uses it to produce protein in vitro. Because living cells are no longer involved, scientists can freely adapt the protein production environment in ways not otherwise possible. However, improved versatility and yield of CFPS protein production is still the subject of considerable research. This work focuses on two ideas for furthering that research.The first idea is the adaptation of CFPS to make proteins containing unnatural amino acids. Unnatural amino acids are not found in natural biological proteins; they are synthesized artificially to possess useful properties which are then conferred upon any protein made with them. However, current methods for incorporating unnatural amino acids do not allow incorporation of more than one type of unnatural amino acid into a single protein. This work helps lay the groundwork for the incorporation of different unnatural amino acid types into proteins. It does this by using modified aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs), which are key components in CFPS, to be compatible with unnatural amino acids. The second idea is the preservation of DNA templates from enzyme degradation in CFPS. Among the advantages of CFPS is the option of using linear expression templates (LETs) in place of plasmids as the DNA template for protein production. Because LETs can be produced more quickly than plasmids can, using LETs greatly reduces the time required to obtain a DNA template for protein production. This renders CFPS a better candidate for high-throughput testing of proteins. However, LETs are more susceptible to enzyme-mediated degradation than plasmids are, which means that LET-based CFPS protein yields are lower than plasmid-based CFPS yields. This work explores the possibility of increasing the protein yield of LET-based CFPS by addition of sacrificial DNA, DNA which is not used as a protein-making template but which is degraded by the enzymes in place of the LETs.

Les aminoacyl-ARNt synthetases (aaRS) sont impliquées dans le mécanismes de la traduction. Dans les cellules humaines, il existe deux jeux de gènes nucléaires codant pour les aaRS : un pour les aaRS cytosolique (cyt), le second pour les aaRS mitochondriales (mt). Les aaRS mt sont traduites dans le cytosole, adressées et importées dans la mitochondrie.Mutations dans 9 gènes d’aaRS mt ont été démontrées comme responsables de pathologies mitochondriales. Certaines des mutations n’affectent pas la propriété originelle d’aminoacylation. Il a été proposé que certaines de ces mutations puissent affecter des propriétés alternatives.Alors l’organisation des aaRS cyt est bien étudiée et que des implications dans des fonctions alternatives établies pour certaines d’entre elles, les connaissances quant aux aaRS mt restent parcimonieuses. L’objectif principal de ce manuscrit de thèse est: (i) révéler d’organisation sous-mt de l’AspRS mt; (ii) étendre l’analyse de l’organisation sous-mt à l’ensemble des aaRS mt; et (iii) contribuer à la compréhension de mécanismes moléculaires sous-jacents à certaines pathologies. Ces travaux ouvrent la porte vers d’autres investigations de l’organisation des aaRS à l’intérieur de la mitochondrie. Ces contributions seront utiles à la meilleure compréhension de mécanismes moléculaires sous-jacents à pathologies mitochondriales. / Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) are housekeeping enzymes involved in translation. In human cells, 2 different sets of nuclear genes code for aaRSs. One codes for cytosolic (cyt) aaRSs, and the second one codes for aaRSs of mitochondrial (mt) location. Mt-aaRSs are translated in the cytosol, targeted and imported into mitochondria.Mutations in 9 mt-aaRSs have been described. Some of the mutations do not display significant influence on the housekeeping aminoacylation activity. It has been proposed that those mutations affect alternative functions.Alternate functions have been described for cyt-aaRSs. While the organization of cyt-aaRSs is explored and their involvement into alternate functions established, the properties of the human mt-aaRSs remain unknown. On one site, this thesis integrate mt-AspRS into new functional networks (sub-mitochondrial localization and partnership). On the other site, it expand the view of the sub-mitochondrial organization to the full set of mt-aaRSs and should ultimately shed light into the molecular mechanisms underlying some of the pathologies. These results open the door for additional investigations to gain a complete view about the sub-mitochondrial organization of aaRSs. Those contributions will be of help for the understanding of molecular mechanisms underlying some mitochondrial disorders.

Les travaux présentés dans cette thèse ont eu pour objectif de contribuer à la compréhension du lien entre l’aspartyl-ARNt synthétase mitochondriale (AspRSmt) humaine et le syndrome LBSL, en étudiant les propriétés de cette enzyme au niveau cellulaire. Les objectifs étaient : 1) d’explorer l’organisation de l’AspRSmt dans la mitochondrie (Chapitre 1), 2) d’identifier la forme mature de l’AspRSmt après son import, ainsi que la localisation sous-mitochondriale de cette enzyme (Chapitre 2), 3) d’évaluer l’impact de quelques mutations, impliquées dans le syndrome LBSL, sur les propriétés de l’AspRSmt (Chapitre 3). Nous avons démontré que l’AspRSmt existe sous différentes formes de produits de maturation, et qu’elle est retrouvée, au moins, dans deux complexes, suggérant potentiellement différents partenaires et/ou fonctions pour cette enzyme. Nous avons établi la localisation sous-mitochondriale de l’AspRSmt, et démontré que cette dernière est doublement localisée avec une fraction soluble et une fraction périphérique interagissant avec la membrane. Nous avons également découvert que, sous certaines conditions de stress, l’AspRSmt est relarguée de la mitochondrie et pourrait avoir un lien avec le processus d’apoptose. En outre, nous avons évalué l’impact de quelques mutations, impliquées dans le syndrome LBSL, et trouvé qu’elles n’ont pas d’effet significatif sur les propriétés de l’AspRSmt. L’ensemble des résultats souligne, d’une part, les lacunes restant à combler concernant les propriétés de l’AspRSmt dans la compréhension du lien mutations/pathologie (LBSL), et d’autre part, suggère fortement l’existence d’une éventuelle fonction non canonique (alternative) de l’AspRSmt. / The aim of the PhD project was to contribute to the understanding of the link between mutations in the human mitochondrial aspartyl-tRNA synthetase (mt-AspRS) and LBSL disease, by studying the properties of this enzyme at the cellular level. Our objectives were: 1) to explore the organization of mt-AspRS in mitochondria (Chapter 1), 2) to identify the mature form of mt-AspRS after its import, and to characterize its submitochondrial localization (Chapter 2), 3) to assess, in cellulo, the impact of some LBSL-causing mutations on some properties of mt-AspRS (Chapter 3). We showed that mt-AspRS is processed into different mature forms, and that mt-AspRS belongs to two complexes likely suggesting different partners and/or functions. We demonstrated that mt-AspRS is dually localized with soluble and peripherally membrane-associated fractions. We also demonstrated that, under stress conditions, mt-AspRS is released outside mitochondria with a possible link to the apoptosis. Furthermore, we assessed the impact of some LBSL-causing mutation on some cellular properties of mt-AspRS, and showed that most mutations do not have a significant impact. This underscores the need for more studies about mt-AspRS properties, and strongly suggests a potential non-canonical (alternative) function of the enzyme.